電纜“樹枝化放電”老化過程是怎樣的？

發(fā)布時(shí)間：2019-10-19 15:52:59   

有機(jī)材料的樹枝化是由于材料內(nèi)部細(xì)微開裂造成的，開裂的細(xì)小通道如同冬天無樹葉的樹枝狀——有枝干、分枝、枝芽。“樹枝”就是這種中空開裂現(xiàn)象的統(tǒng)稱。實(shí)際上，它的形狀已大大地超越了“樹枝”的概念

電纜的樹枝化放電現(xiàn)象也是固體介質(zhì)擊穿前漫長的先導(dǎo)擊穿過程，在引發(fā)樹枝萌芽之前已有漫長的誘導(dǎo)（誘發(fā)）期。樹枝引發(fā)后，或者很快發(fā)展到固體擊穿，或者經(jīng)漫長的發(fā)展（老化）過程，最后導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿（電老化擊穿）。樹枝放電通常指樹枝的發(fā)生、發(fā)展的全過程，也有特指管道細(xì)微開裂中的氣體的局部放電。

各種有機(jī)材料中，管道細(xì)微開裂的引發(fā)，可以是原有亞微觀裂紋的存在；或氣隙、水分、化學(xué)雜質(zhì)的存在；或者無任何裂紋存在，只是極高的場強(qiáng)導(dǎo)致冷發(fā)射電子，引發(fā)裂縫，這是很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。從高場強(qiáng)處、氣隙、含水的空洞、雜質(zhì)等處引發(fā)樹枝核心后，向三個(gè)方向的立體空間發(fā)展。一般是沿電力線方向，也有因材料的各向異性而出現(xiàn)垂直電力線方向的樹枝。這些樹枝延伸發(fā)展到場強(qiáng)所至的對極（整個(gè)絕緣厚度），最后發(fā)生整體擊穿。從引發(fā)樹枝萌芽，到發(fā)展至對極的時(shí)間可以是幾分鐘、幾十分鐘、幾年或十幾年。

樹枝生成的條件

    運(yùn)行中產(chǎn)生樹枝的電纜經(jīng)過實(shí)際解剖和實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的樹枝圖像都證明了樹枝產(chǎn)生的條件是：
    1）局部極不均勻的高場強(qiáng)。在金屬突出物，半導(dǎo)電層的尖刺、缺陷和節(jié)疤，以及有尖刺邊角的雜質(zhì)（雜質(zhì)的介電常數(shù)較大或電阻率極小）附近，很容易形成局部的電場集中。
    2）有微小的空隙或亞微觀裂紋。
    3）有內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、不完善界面應(yīng)力。
    4）水分的存在是水樹枝生成的引發(fā)劑。
    以上條件，只要具備其一，電纜中就會不同程度地產(chǎn)生樹枝。

樹枝放電的形成

    樹枝放電的引發(fā)和發(fā)展過程可分為以下四個(gè)階段：
   （1）引發(fā)期：又稱潛伏期或誘導(dǎo)期，它的長短表征樹枝發(fā)生的難易程度。這是抑制樹枝的主要階段。

   （2）成長期：又稱發(fā)展期，它表明樹枝引發(fā)后的成長速度。耐樹枝發(fā)展特性好的材料，樹枝發(fā)展慢，即成長期長。

   （3）飽和期：當(dāng)樹枝發(fā)展到一定長度后，樹枝停止發(fā)展，這段時(shí)間稱為飽和期。飽和期的存在是由于樹枝管道中有局部放電及高能電子轟擊高聚物分子鏈，致使材料分解產(chǎn)生大量的氣體。隨著這種效應(yīng)的增強(qiáng)，細(xì)管中內(nèi)部壓力加大，按巴申定律，管道中放電電壓將要提高。因而，在外界電壓不變的情況下，樹枝發(fā)展就可能停止。設(shè)法延長飽和期，是抑制樹枝的另一重要方法。

   （4）間隙擊穿前期：經(jīng)過飽和期以后，氣隙或樹枝管道中因放電分解出的氣體逐漸通過材料本身滲透、擴(kuò)散而逸出，使管道中氣體壓力下降，按巴申定律，這時(shí)氣隙的擊穿電壓下降，因而樹枝又迅速發(fā)展。

樹枝放電的分類與特點(diǎn)

    在實(shí)際中存在的多種樹枝放電形式可分為三大類：即電樹枝、水樹枝和化學(xué)樹枝。

   （1）電樹枝。處于高場強(qiáng)的不連續(xù)材料界面（氣隙、雜質(zhì)、電纜內(nèi)外半導(dǎo)電層界面）特別容易引發(fā)電樹枝，電樹枝往往在高場強(qiáng)集中的微裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p或開裂處形成樹枝萌芽，樹枝管道連續(xù)、內(nèi)空，有的材料樹枝管道壁上附有炭粒。通常在長而細(xì)的電樹枝管道中伴隨著局部放電

   （2）水樹枝。引發(fā)樹枝的空隙中含有水分。水中運(yùn)行的電纜、線芯進(jìn)水的電纜、絕緣中含有水分的電纜容易引發(fā)水樹枝。水樹枝是在電場和水分同時(shí)存在的條件下產(chǎn)生的。但是，水樹枝在比電樹枝低得多的場強(qiáng)情況下就能引發(fā)。水樹枝中沒有局部放電現(xiàn)象。          

水樹枝的種類也很多，對電纜的危害也很大。但是，水樹枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)。有的水樹枝受熱、干燥、抽真空等會消失形態(tài)，浸入熱水中又會重現(xiàn)，水樹枝消失時(shí)表明管道發(fā)生閉合，材料細(xì)微龜裂后又回彈，但未使結(jié)構(gòu)分解。在實(shí)際電纜中，干法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜中很少發(fā)現(xiàn)水樹枝，而濕法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜中卻常常見到水樹枝。

 XLPE絕緣電力電纜本體在制造過程中不可避免地存在微觀制造質(zhì)量缺陷，如微孔、雜質(zhì)，以及電力電纜在運(yùn)輸、敷設(shè)、安裝和運(yùn)行過程中諸如主絕緣和外護(hù)套機(jī)械應(yīng)力損傷、終端和中間接頭安裝質(zhì)量、現(xiàn)場施工環(huán)境條件和員工技術(shù)素質(zhì)控制等不利因素影響，隨著水分緩慢地侵入（吸附、擴(kuò)散和遷移），電纜XLPE介質(zhì)在電場、水分和雜質(zhì)等絕緣缺陷的協(xié)同作用下，逐步產(chǎn)生樹枝狀早期劣化。當(dāng)樹枝狀劣化貫穿介質(zhì)或轉(zhuǎn)變成為電樹枝，最終將導(dǎo)致電力電纜線路的電纜本體或電纜附件發(fā)生試驗(yàn)擊穿或運(yùn)行擊穿故障。

據(jù)取樣分析，50例電纜試樣中，質(zhì)量良好的電纜試樣8例，約占試樣總數(shù)的16%；質(zhì)量合格的電纜試樣16例，約占試樣總數(shù)的32%；質(zhì)量不合格的電纜試樣26例，約占試樣總數(shù)的52%。在質(zhì)量不合格的電纜試樣中，偏心度不合格的電纜試樣15例，約占質(zhì)量不合格的電纜試樣總數(shù)的57.69%；雜質(zhì)含量不合格的電纜試樣總數(shù)的19.23%，偏心度和雜質(zhì)含量均不合格的電纜試樣6例，約占質(zhì)量不合格的電纜試樣總數(shù)的23.08%。

小編現(xiàn)總結(jié)如下幾種電纜的電纜形成樹枝的特性：

電樹枝的特性

電樹枝的特性可歸納以下幾點(diǎn)：
（1）電樹枝的產(chǎn)生必須有局部的高場強(qiáng)。
（2）電樹枝的引發(fā)與材料的本征耐電強(qiáng)度有關(guān)。
（3）交變電場的機(jī)械應(yīng)力引發(fā)電樹枝。
（4）氣隙的存在是電樹枝生成的前提。
（5）雜志的存在可誘發(fā)雜質(zhì)電樹枝。
（6）電樹枝中伴有局部放電。
（7）電樹枝引發(fā)后，發(fā)展較快。
（8）電樹枝放電使介質(zhì)損耗增加，絕緣電阻和擊穿電壓下降。
（9）電樹枝的發(fā)展與電壓形式和溫度有關(guān)。

水樹枝的特性

水樹枝的特性可歸納為如下幾條：
（1）必須同時(shí)存在電場和水分，才能引發(fā)和形成水樹枝。
（2）具有直徑為數(shù)微米的樹枝狀充水微觀空隙組成。
（3）水樹枝能在低于電樹枝的場強(qiáng)下產(chǎn)生。
（4）水樹枝受雜質(zhì)影響很大。吸濕性雜質(zhì)和絕緣中缺陷、空隙等是水樹枝引發(fā)的起點(diǎn)。
（5）水樹枝的成長因頻率增加而加快，直流下很難產(chǎn)生或者無水樹枝產(chǎn)生。
（6）水樹枝中無局部放電現(xiàn)象。
（7）水樹枝的產(chǎn)生或成長受溫度影響較小。
（8）水樹枝的擴(kuò)展需要比電樹枝更長的時(shí)間。
（9）產(chǎn)生水樹枝的電纜，其介質(zhì)損耗增加、絕緣和擊穿電壓下降。

電化學(xué)樹枝的特性

電化學(xué)樹枝的特性有以下幾點(diǎn)：
（1）電化學(xué)樹枝的演變很慢，一般要幾年之久。
（2）樹枝沿電場方向發(fā)展，形狀各異，當(dāng)樹枝發(fā)生在絕緣和屏蔽接觸有缺陷的部位時(shí)，形如藻類、草地或羽毛狀；當(dāng)發(fā)生在絕緣內(nèi)部有缺陷的部位時(shí)，形如蝴蝶結(jié)或羽毛狀。
（3）各類雜質(zhì)和缺陷的存在是電化學(xué)樹枝的發(fā)源地。
（4）電化學(xué)樹枝的成長與潮氣對電纜的腐蝕相一致。
（5）有電化學(xué)樹枝的電纜并未發(fā)現(xiàn)局部放電的增加。
（6）電化學(xué)樹枝具有顏色，一般多為棕褐色。
（7）可以在比電樹枝低得多的場強(qiáng)下發(fā)生。
（8）必要的條件是孔隙中要有硫等化學(xué)成分的溶液存在。
（9）電化學(xué)樹枝一般需要形成并發(fā)電樹枝通道而擊穿絕緣。

   電場和水分是引發(fā)和促使水樹枝狀早期老化的最為關(guān)鍵的兩個(gè)重要因素，缺一不可。只要同時(shí)具備這兩個(gè)因素，XLPE介質(zhì)在一定的時(shí)間內(nèi)就會出現(xiàn)樹枝狀早期老化現(xiàn)象。如果介質(zhì)中同時(shí)還有雜質(zhì)等缺陷存在，介質(zhì)樹枝狀早期老化速度顯著加快。

    因此，有效地切斷水分進(jìn)入XLPE介質(zhì)通道，有效防止水分通過擴(kuò)散和遷移進(jìn)入XLPE介質(zhì)，是有效預(yù)防電力電纜介質(zhì)發(fā)生樹枝狀早期老化、延長電力電纜安全運(yùn)行壽命、確保電力電纜供電可靠性的關(guān)鍵之關(guān)鍵。

    我們必須控制電纜敷設(shè)、施工質(zhì)量以及電纜附件安裝質(zhì)量，盡可能杜絕水分進(jìn)入電纜本體介質(zhì)和附件絕緣中。

眾所周知，電力電纜結(jié)構(gòu)中，理想介質(zhì)電場是圓柱狀均勻電場。但是，由于電力電纜制造工藝控制偏差，往往使得電纜導(dǎo)體不能夠精確地處于圓心位置。隨著制造技術(shù)不斷提高，電纜介質(zhì)不均勻性（偏心度）完全可以控制在5%以內(nèi)，此時(shí)，導(dǎo)體偏離圓心位置相對較小，對電場均勻性影響基本可以忽略。反之，如果電纜介質(zhì)不均勻性（偏心度）大于8%，電纜介質(zhì)中的電場分布畸變就不可忽視，此時(shí)，一旦介質(zhì)中存在雜質(zhì)或其他缺陷（如機(jī)械損傷等），電力電纜絕緣性能將急劇下降：當(dāng)存在水分和雜質(zhì)時(shí)，將引發(fā)大量的水樹枝，造成介質(zhì)樹枝早期劣化；當(dāng)介質(zhì)局部缺陷在畸變電場作用下引發(fā)局部放電，介質(zhì)中將不可避免地形成電樹枝老化而發(fā)生電擊穿。

    雖然國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對35kV及以下電壓等級的XLPE絕緣電力電纜不均勻性（偏心度）要求不是很高，然而，理論和試驗(yàn)再次給我們警示：電力電纜不均勻性在短期內(nèi)不會引起電力電纜介質(zhì)絕緣性能破壞，但是，一旦XLPE介質(zhì)中存在雜質(zhì)等缺陷或外界水分?jǐn)U散遷移進(jìn)入介質(zhì)，電力電纜安全運(yùn)行壽命將受到極大地威脅。

 一般來說，雜質(zhì)的電阻率相對純凈的XLPE介質(zhì)比較低，在外施電場的作用下，電力線從高電位出發(fā)，匯集到雜質(zhì)表面，雜質(zhì)表面電場因電力線密集而加強(qiáng)，使得原本是圓柱狀均勻電場在雜質(zhì)周圍發(fā)生嚴(yán)重畸變。

    當(dāng)外界水分因化學(xué)位差異擴(kuò)散到介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，水分就會在電場的作用下向電場集中處作定向遷移，匯集在雜質(zhì)周圍形成微觀局部水隙，呈現(xiàn)出水暈環(huán)，由于水分的介電系數(shù)（81）遠(yuǎn)大于XLPE介質(zhì)的介電系數(shù)（2.4——2.6），按照交變電場按電容分配原則，水分首先在高電場下獲取能量發(fā)生汽化，汽化形成的氣壓大于XLPE介質(zhì)分子鏈鍵合力時(shí)，分子鏈發(fā)生斷裂形成微觀裂紋以釋放壓力。此時(shí)，XLPE介質(zhì)宏觀表現(xiàn)位水樹枝引發(fā)。
 
    該過程不斷地循環(huán)進(jìn)行，最終導(dǎo)致水樹枝不斷發(fā)展延伸，直至貫穿絕緣層或轉(zhuǎn)變成為電樹枝而發(fā)生XLPE介質(zhì)擊穿。

    根據(jù)以上水樹枝引發(fā)過程分析，雜質(zhì)作為單一因素，不論施加電場時(shí)間長短或電場強(qiáng)度高低，是不能夠引發(fā)水樹枝的。在干燥的條件下，即便施加很高的交變電場，只能夠在雜質(zhì)處激發(fā)場致發(fā)射效應(yīng)。而場致效應(yīng)產(chǎn)生的高能帶電粒子不斷轟擊XLPE介質(zhì)分子鏈段進(jìn)行能量交換，宏觀表現(xiàn)為介質(zhì)局部放電。當(dāng)轟擊能量大于分子鏈段鍵能，分子鏈段發(fā)生斷裂引發(fā)電樹枝，電樹枝尖端放電加劇電樹枝快速發(fā)展并貫穿介質(zhì)，最終造成XLPE介質(zhì)電擊穿。

    綜上所述，XLPE介質(zhì)中存在一定尺寸或數(shù)量的雜質(zhì)，將顯著地縮短XLPE絕緣電力電纜安全運(yùn)行壽命。當(dāng)外界水分?jǐn)U散和遷移到雜質(zhì)表面，將在短期內(nèi)引發(fā)水樹枝狀早期劣化，明顯降低介質(zhì)絕緣性能；在較高的電場作用下，即使是干燥的雜質(zhì)，由于激發(fā)場致發(fā)射效應(yīng)，同樣導(dǎo)致XLPE雜質(zhì)絕緣特性急劇下降，最終發(fā)生介質(zhì)電擊穿。所以，控制雜質(zhì)含量是降低電力電纜運(yùn)行故障重要的第一關(guān)。

 塑料絕緣電力電纜運(yùn)行的可靠性，除絕緣材料本身特性不良外，其決定因素就是電纜絕緣結(jié)構(gòu)的完善程度。在電纜絕緣層中惡化的電場將導(dǎo)致場致發(fā)射，引發(fā)電樹枝、水樹枝，最終使電纜絕緣層擊穿。塑料電力電纜的運(yùn)行壽命與其絕緣中樹枝老化的現(xiàn)象密切相關(guān)，這是在20世界60年代和70年代被發(fā)現(xiàn)的。由于發(fā)現(xiàn)了塑料電纜擊穿前的這種“預(yù)擊穿”現(xiàn)象，引起世界各國電纜制造界的極大興趣。

青島華強(qiáng)電纜是一家專注生產(chǎn)電線電纜的廠家，公司生產(chǎn)的華宇牌電線電纜各項(xiàng)性能均達(dá)到國際電工委員會和國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，主導(dǎo)產(chǎn)品有：鋁合金電纜、交聯(lián)電力電纜、聚氯乙烯絕緣電力電纜、控制電纜、計(jì)算機(jī)電纜、礦物絕緣電纜、電氣裝備用電線電纜等多種型號電纜，還可以根據(jù)用戶需求加工定做需要的特種電纜